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2024 181호 / 기획특집 ③ / 우주 개발

2024-04-30 50

기획특집 ③
우주 개발의 이점

 

꼭지 2에서는 달에서 어떻게 탐사선을 이용해 우주 개발을 진행하는지 알아보았습니다. 그렇다면 우주 개발을 통해 우리는 무엇을 얻을 수 있기에 우주 개발을 계속하는 걸까요? 이번 꼭지에서는 우주 개발이 우리에게 가져다 줄 다양한 이점에 대해 알아봅시다!

 

우주 개발의 이점: 에너지 자원 확보
우주 개발을 통해 얻을 수 있는 대표적인 이점은 바로 에너지 자원 확보입니다. 지구에 묻힌 자원은 무한하지 않기에 인류는 무한한 가능성이 있는 우주로 눈길을 돌렸습니다. 최근 가장 주목받는 우주자원은 바로 달에 있는 ‘헬륨-3’입니다. 헬륨-3는 핵융합 발전의 연료로 이용되는 물질인데요. 환경오염을 일으키지 않으면서 1g만으로 석탄 약 40t에 달하는 에너지를 만들어 낸다고 합니다. 그럼, 핵융합 발전에 대해서 먼저 알아볼까요?
핵융합 발전은 핵융합 반응의 에너지를 이용해 전기를 생산합니다. 반응의 과정에서 발생하는 질량결손1이 에너지를 만들어 내는데요. 이때 방출되는 에너지의 양은 E = Δmc2라는 질량-에너지 등가 관계식을 통해 계산할 수 있습니다.

그림 1. 질량결손과 에너지 발생

원자핵 속의 핵력2을 끊기 위해 외부에서 가해야 하는 에너지를 결합에너지라고 합니다. 원자의 총결합에너지를 원자핵을 구성하고 있는 양성자와 중성자의 수를 합한 값으로 나누면 핵자3당 결합에너지를 구할 수 있습니다.

그림 2. 핵자당 결합에너지

핵자당 결합에너지가 클수록 강하게 결합되어 있어 원소가 안정적입니다. 그림 2를 보면 Fe가 핵자당 결합에너지가 가장 크다는 것을 알 수 있습니다. 원소는 안정적인 상태로 변화하려 하기 때문에 Fe보다 질량수가 작은 원소들은 서로 융합하려 하고, Fe보다 질량수가 큰 원소들은 분열하려 할 것입니다.

n : 반응에 이용되는 원자들의 밀도, τE : 가둠시간, v : 속도, T : 절대온도, Ech : 핵융합 생성물의 에너지, σ : 단면적

위 식으로 나타내어지는 로슨 조건은 핵융합 과정에서 발생하는 에너지가 손실되는 에너지보다 커야한다는 부등식에서 유도할 수 있습니다. 우변의 12T/Ech<σv>는 온도에 따른 함수인데요. 반응에 이용되는 원자들의 밀도와 가둠 시간4의 곱 nτE이 우변의 온도에 따르는 함수의 값보다 크면 핵융합 반응에서 발생하는 에너지가 손실되는 에너지보다 커지게 됩니다.

그림 3. 로슨 조건

위 그래프는 로슨 조건을 만족하기 위해 필요한 nτE의 최솟값을 나타내는데요. 그래프를 통해서 볼 수 있듯이 비교적 낮은 온도에서는 D-T 반응5이 가장 달성하기 쉬워 핵융합의 연료로 주로 연구되고 있습니다. 그러나 D-T 반응은 연료인 삼중수소가 매우 희귀하고, 반응의 결과물로 중성자가 생성된다는 단점이 있습니다. 중성자가 생성되면 원자들이 중성자를 흡수해 방사성 동위원소가 되어 방사선이 발생합니다. 이러한 단점을 모두 해소한 연료가 바로 헬륨-3입니다. 헬륨-3과 중수소를 반응시키는 D-3He 반응은 로슨 조건을 만족하기도 쉬우며 중성자를 생성하지도 않습니다.

지구에는 헬륨-3가 매우 적지만 달에는 약 1백만 t가량이 침전되어 있다고 합니다. 우주 개발이 더 이루어져 달에서 헬륨-3를 채취할 수 있게 된다면 인류의 에너지 문제를 해결하는 데 매우 큰 도움이 될 수 있겠죠?

 

우주 개발의 이점: 위성통신기술의 발전
우주 개발은 다양한 첨단과학기술의 발전을 동반한다는 이점도 있습니다. 위성과 관련된 기술이 대표적인데요. 위성 기술에 대해 알아보기 전에 먼저 위성 관련 기술의 기초가 되는 무선통신의기본 원리에 대해 알아보겠습니다. 무선통신은 전파를 통해 정보를 전달하는 것을 말합니다. 크게 신호를 통해 전파를 발생시키는 송신과 전파를 신호로 변환하는 수신으로 구성되어 있습니다. 교류6를 발생시키는 전원을 도체 판에 연결하면 도체 판 사이 전기장의 세기가 변하게 되고, 그에 따라 자기장이 변하며 전파가 발생합니다. 이 전파는 전류의 세기와 주파수에 영향을 받습니다. 즉 전류의 세기와 주파수로 표현되는 전기적 신호를 전파의 형태로 변화시킬 수 있는 것이죠. 이것이 송신의 원리입니다. 이와 반대로, 전파가 도체 판으로 들어오게 되면 전파의 세기와 주파수에 따라 유도 전류가 발생하고 이를 신호로써 해석하는 것이 수신의 원리입니다.

그림 4. 송신과 수신

우주 개발을 통해 많은 위성을 우주에 띄울 수 있었습니다. 대기권 밖으로 쏘아 올린 인공위성을 이용하여 무선통신을 하는 것이 위성통신인데요. 최근에는 위성통신 기술의 많은 발전이 이루어졌습니다. 대표적인 것이 바로 저궤도 위성통신 시스템입니다.
저궤도 위성이란 300~1,500km 고도에 있는 인공위성을 말합니다. 낮은 고도에 있기에 36,000km 고도에 위치한 정지 궤도 위성에 비해 전파가 오가는 시간이 비교적 짧은데요. 그 때문에 전파가 주위의 영향을 적게 받아 정보 손실이 적고, 통신의 지연도 아주 적은 편입니다. 최근에는 저궤도 위성을 이용해 초고속 인터넷을 제공하는 기술이 주목받고 있습니다. 많은 수의 저궤도 위성을 배치해 통신이 잘되지 않는 지역에서도 빠르게 통신할 수 있도록 해주는 기술인데요.
저궤도 위성은 한 대당 지원하는 통신의 가용범위가 작기 때문에 이 기술을 위해서는 수많은 위성이 필요하나, 위성 발사에 드는 비용이 너무나도 높다는 문제점이 있었습니다. 그러나 최근 정부 외에도 다양한 민간 기업이 우주 위성 기술 개발에 참여함으로써 위성 발사 비용이 획기적으로 줄어들게 되어 저궤도 위성통신 시스템이 본격적으로 연구되기 시작했습니다.
수만 대의 저궤도 위성을 이용한 통신을 하기 위해 위성 간 통신을 뜻하는 ISL(Inter Satellite Links) 기술이 발전하고 있습니다. 기존의 위성 통신은 지상의 지구국과 위성 간의 통신만을 이용했지만, ISL 기술을 이용하면 기지국을 거치지 않고 위성 간에 직접 데이터를 주고받을 수 있기에 통신 지연시간을 줄일 수 있습니다.

그림 5. Bent-Pipe Structure와 Regenerative Structure의 통신 지연시간

런던과 뉴욕 사이에서 통신한다고 가정했을 때, ISL을 활용하지 않는 구조(Bent-Pipe Structure)와 ISL을 활용하는 구조(Regenerative Structure)의 통신 지연시간을 비교해 보면 각각 48ms, 46ms로 통신 지연시간이 단축되는 것을 확인할 수 있습니다.

최근에는 ISL에 FSO(Free Space Optics) 통신 방식을 사용하는데요. FSO 통신 방식은 나노미터 정도의 짧은 파장의 레이저 빔을 통신 수단으로 활용하는 방식입니다. 레이저는 장애물 투과력이 약하다는 단점이 있는데요. 지구에서는 안개 등의 장애물이 존재하기에 잘 사용하지 못했으나 진공인 우주 환경에서는 이용할 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 우주 개발이 앞으로 계속해서 이루어진다면 저궤도 위성통신을 직접 이용해 볼 수 있겠죠?

이번 꼭지에서는 우주 개발을 통해 얻을 수 있는 다양한 이점 중 에너지 자원 확보와 위성통신 기술의 발전에 대해 자세히 알아보았습니다. 지금, 이 순간에도 인류는 다 함께 힘을 합쳐 우주 개발이라는 과제를 해결하며 다양한 발전을 이뤄내고 있습니다. 이번 기획 특집을 읽으며 우주 개발의 이유와 방법을 알게 되는 것뿐만 아니라, 이를 실현시키기 위한 과학 기술 발전의 필요성과 중요성에 대해서도 알게 되는 시간을 보냈으면 좋겠습니다.

 

글. 무은재학부 23학번 29기 알리미 이용현

 

[각주]
1. 핵분열, 핵융합 등 다양한 핵반응에서 반응 전과 반응 후의 원자 질량에 차이가 생기는 것
2. 두 개 이상의 핵자들 사이에서 작용하는 힘. 양성자와 중성자가 결합하여 원자핵을 형성할 수 있게 함
3. 핵을 이루는 기본 입자로 양성자와 중성자를 말함
4. 핵융합이 일어날 수 있는 고온, 고압의 상태를 지속할 수 있는 시간
5. 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 반응하여 헬륨이 되는 핵융합 반응
6. 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류
[그림 출처]
그림 1. “Ⅴ-2. 별의 에너지원 ① [원시별과 주계열성].” 「ROOPLEETELCHAN_NET」. 2024년 3월 3일.
https://m.blog.naver.com/venomous1st/222260500529.
그림 2. Nuclear binding energy.” Wikipedia. Feb 27, 2024.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_binding_energy.
그림 3. “Lawson_criterion.” Wikipedia. 27 Feb, 2024.
https://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion
그림 4. “RF 회로 개념 잡기 – PART 10 ▶ Antenna (안테나).” 「RFDH」. 2024년 3월 3일.
http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/antenna.php3.
그림 5. 차홍설, 김종민, 임병주, 이주형, 고영채. ”저궤도 군집 위성 간 통신 현황 및 주요 기술 동향.” 「한국통신학회논문지」 47, no.10 (2022)
:1508-1518.
[참고 자료]
1. “핵융합이란?.” 「한국핵융합에너지연구원」. 2024년 2월 27일.
https://www.kfe.re.kr/menu.es?mid=a10201010000.
2. “Lawson_criterion.” Wikipedia. Feb 27, 2024. https://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion.
3. 차홍설, 김종민, 임병주, 이주형, 고영채. ”저궤도 군집 위성 간 통신 현황 및 주요 기술 동향.” 「한국통신학회논문지」 47, no.10 (2022):1508-1518.
4. 엄만석, 장동필, 이병선. “저궤도 군집 통신위성 탑재체 기술 동향.” 「전자통신동향분석」 37, no.3 (2022):41-51.
5. 김지선. “지구저궤도(LEO) 활용동향 및 정책과제.” 「국가우주정책연구센터」. 2022년 11월 14일.
 https://stepi.re.kr/site/sprec/report/View.do;jsessionid=C81E93A9AB31F407C4FB70C7D99DE6C7?reIdx=9&cateCont=S0501.